一种野外三轴磁传感器单轴测量精度测试方法

本发明属于三轴磁传感器领域，尤其是指一种野外三轴磁传感器单轴测量精度测试方法。

背景技术：

三轴磁传感器因为能够同时测量相互正交的三个方向的磁场，提供更丰富的磁场信息而成为总场测量传感器之后更为广泛应用的磁测传感器。三轴磁传感器在使用前需要对三个轴向的单轴测量精度进行性能测试从而获取性能指标。

现有的性能参数测试方法是在电磁屏蔽室或者电磁屏蔽筒内，向亥姆霍兹线圈内注入电流从而产生预期的磁场，通过对比三轴磁传感器的单轴输出与亥姆霍兹线圈产生磁场的情况，从而获得三轴磁传感器的单轴测量精度性能参数。但是这种方法必须满足两个前提，第一是必须提供绝对零磁场的环境，受限于电磁屏蔽室和电磁屏蔽筒这样的实验条件；第二是在测试过程中必须保证亥姆霍兹线圈的轴线与三轴磁传感器的测量轴绝对对准，否则会导致测量结果的不准确，增加了实验难度。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，尤其是现有技术受限于电磁屏蔽室和电磁屏蔽筒这样的实验环境以及难以保证亥姆霍兹线圈的轴线与三轴磁传感器的轴向的绝对对准，提供一种适用于野外的三轴磁传感器单轴测量精度性能参数测试方法。

本发明是这样实现的，

将标准三轴磁传感器和待测试的三轴磁传感器固定在三轴无磁转台上，通过无磁转台两次旋转获得的数据可以求出标准三轴磁传感器和待测试的三轴磁传感器之间的坐标转换矩阵，沿着任意轴向旋转无磁转台获得完整的数据集，将标准三轴磁传感器采集的数据经过坐标转换后与待测试的三轴磁传感器采集的数据进行对比便可得到待测试的三轴磁传感器的单轴测量精度。

本发明是通过以下步骤实现的：

一种野外三轴磁传感器单轴测量精度测试方法，该方法包括：

步骤1，将标准三轴磁传感器和待测试的三轴磁传感器固定在三轴无磁转台上；

步骤2，将三轴无磁转台分别以自身的坐标系的y轴和z轴进行旋转获得标准三轴磁传感器输出数据和待测试的三轴磁传感器的输出数据；

步骤3，根据两次旋转获得的输出数据求出标准三轴磁传感器和待测试的三轴磁传感器之间的坐标转换矩阵r3；

步骤4，沿着任意轴向旋转无磁转台获得数据集，将标准三轴磁传感器采集的数据经过采用坐标转换矩阵r3坐标转换后与待测试的三轴磁传感器采集的数据进行对比得到待测试的三轴磁传感器的单轴测量精度。

进一步地，步骤1具体包括：将高精度的标准三轴磁传感器和待测试的三轴磁传感器固定在三轴无磁转台上，将三轴无磁转台坐标系o-xyz和标准三轴磁传感器o1-x1y1z1以及待测试的三轴磁传感器坐标系o2-x2y2z2之间粗对准。

进一步地，步骤2具体包括：

b21.沿着三轴无磁转台的y轴旋转三轴无磁转台，同步采集标准三轴磁传感器和待测试的三轴磁传感器的输出，得到第1数据集，其中标准三轴磁传感器的输出为待测试的三轴磁传感器的输出为其中和分别是标准三轴磁传感器输出值hstandard在x1、y1和z1轴上的分量；和分别是待测试的三轴磁传感器输出值htest在x2、y2和z2轴上的分量。

b22.沿着三轴无磁转台的z轴旋转三轴无磁转台，同步采集标准三轴磁传感器和待测试的三轴磁传感器的输出，得到第2数据集，其中标准三轴磁传感器的输出为待测试的三轴磁传感器的输出为其中和分别是标准三轴磁传感器输出值hstandard在x1、y1和z1轴上的分量；和分别是待测试的三轴磁传感器输出值htest在x2、y2和z2轴上的分量。

进一步地，步骤3具体包括：

b31.设n代表第1数据集的样本点数量，i和j代表数据集1中的样本点编号，m代表第2数据集的样本点数量，k和l代表第2数据集中的样本点编号；

b32.标准三轴磁传感器坐标系o1-x1y1z1到三轴无磁转台坐标系o-xyz的坐标转换矩阵为r1，则坐标转换关系式如下：

其中和分别是标准三轴磁传感器输出值hstandard在x1、y1和z1轴上的分量，和分别是经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在x、y和z轴上的分量；

当标准三轴磁传感器坐标系o1-x1y1z1经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后，沿着三轴无磁转台y轴旋转转台时标准三轴磁传感器y轴测量值为恒定值，沿着三轴无磁转台z轴旋转转台时标准三轴磁传感器z轴测量值为恒定值，建立如下的目标函数：

其中和分别代表标准三轴磁传感器第1数据集第i个和第j个样本点的值经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在y轴上的分量，和分别代表标准三轴磁传感器第2数据集第k个和第l个样本点的值经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在z轴上的分量；

b33.利用最小二乘法求出上述目标函数的解，得到标准三轴磁传感器坐标系o1-x1y1z1到三轴无磁转台坐标系o-xyz的坐标转换矩阵r1的解；

b34.待测试的三轴磁传感器坐标系o2-x2y2z2到三轴无磁转台坐标系o-xyz的坐标转换矩阵为r2，则坐标转换关系式如下：

其中和分别是待测试三轴磁传感器输出值htest在x2、y2和z2轴上的分量，和分别是经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在x、y和z轴上的分量；

当待测试的三轴磁传感器坐标系o2-x2y2z2经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后，沿着三轴无磁转台y轴旋转转台时待测试三轴传感器y轴测量值为恒定值，沿着三轴无磁转台z轴旋转转台时待测试的三轴磁传感器z轴测量值为恒定值，建立如下的目标函数：

其中和分别代表待测试三轴磁传感器第1数据集第i个和第j个样本点的值经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在y轴上的分量，和分别代表待测试三轴磁传感器第2数据集第k个和第l个样本点的值经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在z轴上的分量。

b35.利用最小二乘法求出上述目标函数的解，得到待测试的三轴磁传感器坐标系o2-x2y2z2到三轴无磁转台坐标系o-xyz的坐标转换矩阵r2的解；

b36.通过r1和r2根据下面的公式求出标准三轴磁传感器坐标系o1-x1y1z1到待测试的三轴磁传感器坐标系o2-x2y2z2的坐标转换矩阵r3；

r3＝r1·r2^-1。

进一步地，步骤4具体包括：在背景地磁场下沿着任意轴向旋转三轴无磁转台，同步采集标准三轴磁传感器的输出hstandard＝[hs^xhs^yhs^z]和待测试的三轴磁传感器的输出htest＝[ht^xht^yht^z]，根据下面公式计算待测试的三轴磁传感器三个轴向的单轴测量误差，从而得到待测试三轴传感器三个轴向的单轴测量精度性能参数：

其中hs^x、hs^y和hs^z分别代表标准三轴磁传感器的测量值在x1、y1和z1轴上的分量，ht^x、ht^y和ht^z分别代表待测试三轴传感器的测量值在x2、y2和z2轴上的分量，设待测试的三轴磁传感器的测量误差为herror＝[he^xhe^yhe^z]，其中he^x、he^y和he^z分别代表待测试的三轴传感器在x2、y2和z2三个轴向上的测量误差。

有益效果：1)本发明方法适用于野外背景地磁场存在的情况下，无需电磁屏蔽室和电磁屏蔽筒这样的实验环境，降低了实验难度。2)本发明方法相对于传统方法无需亥姆霍兹线圈设备，也无需保证待测试传感器与基准传感器的绝对对准。3)本发明方法通过无磁转台的一次旋转就可以收集到足够多的数据集，相对于传统方法每通一次电流只能采集一组数据，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的测试设备安装示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种野外三轴磁传感器单轴测量精度测试方法，本实施例中采用如下的步骤：

a.如附图1所示，将高精度的标准三轴磁传感器和待测试的三轴磁传感器固定在三轴无磁转台上，实现三轴无磁转台坐标系o-xyz和标准三轴磁传感器o1-x1y1z1以及待测试的三轴磁传感器坐标系o2-x2y2z2之间的粗对准；参见图1，三轴无磁转台包括底座1、z轴旋转机构2、y轴旋转机构3和旋转平台4组成；在z轴旋转机构2包括一个转台2以及一个固定在底座1上的竖直转轴7，转台2在竖直转轴上绕着z轴转动，在转台上设置竖直的连个两个连杆3，连杆之间具有平行转轴6，旋转平台8绕着平行转轴6转动。在旋转平台8的两侧面上对称设置标准三轴磁传感器5和待测试的三轴磁传感器4。

b.沿着三轴无磁转台的y轴旋转无磁转台，保持其他轴向固定不动，同步采集标准三轴磁传感器和待测试的三轴磁传感器的输出，得到第1数据集，其中标准三轴磁传感器的输出为待测试的三轴磁传感器的输出为其中和分别是标准三轴磁传感器输出值hstandard在x1、y1和z1轴上的分量；和分别是待测试的三轴磁传感器输出值htest在x2、y2和z2轴上的分量。

c.沿着三轴无磁转台的z轴旋转无磁转台，保持其他轴向固定不动，同步采集标准三轴磁传感器和待测试的三轴磁传感器的输出，得到第2数据集，其中标准三轴磁传感器的输出为待测试的三轴磁传感器的输出为其中和分别是标准三轴磁传感器输出值hstandard在x1、y1和z1轴上的分量；和分别是待测试的三轴磁传感器输出值htest在x2、y2和z2轴上的分量。

d.设n代表数据集1的样本点数量，i和j分别代表数据集1中的样本点编号，m代表数据集2的样本点数量，k和l分别代表数据集2中的样本点编号。

e.设标准三轴磁传感器坐标系o1-x1y1z1到三轴无磁转台坐标系o-xyz的坐标转换矩阵为r1，则坐标转换关系式如下：

其中和分别是标准三轴磁传感器输出值hstandard在x1、y1和z1轴上的分量，和分别是经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在x、y和z轴上的分量。

根据事实：当标准三轴磁传感器坐标系o1-x1y1z1经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后，沿着三轴无磁转台y轴旋转转台时为恒定值，沿着三轴无磁转台z轴旋转转台时为恒定值，建立如下的目标函数：

其中和分别代表标准三轴磁传感器第1数据集第i个和第j个样本点的值经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在y轴上的分量，和分别代表标准三轴磁传感器第2数据集第k个和第l个样本点的值经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在z轴上的分量。

f.利用最小二乘法可以求出上述目标函数的解，从而得到标准三轴磁传感器坐标系o1-x1y1z1到三轴无磁转台坐标系o-xyz的坐标转换矩阵r1的解；

g.设待测试的三轴磁传感器坐标系o2-x2y2z2到三轴无磁转台坐标系o-xyz的坐标转换矩阵为r2，则坐标转换关系式如下：

其中和分别是待测试三轴磁传感器输出值htest在x2、y2和z2轴上的分量，和分别是经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在x、y和z轴上的分量。

根据事实：当待测试的三轴磁传感器坐标系o2-x2y2z2经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后，沿着三轴无磁转台y轴旋转转台时为恒定值，沿着三轴无磁转台z轴旋转转台时为恒定值，建立如下的目标函数：

其中和分别代表待测试三轴磁传感器第1数据集第i个和第j个样本点的值经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在y轴上的分量，和分别代表待测试三轴磁传感器第2数据集第k个和第l个样本点的值经过坐标转换到三轴无磁转台坐标系o-xyz后在z轴上的分量。

h.利用最小二乘法可以求出上述目标函数的解，从而得到待测试的三轴磁传感器坐标系o2-x2y2z2到轴无磁转台坐标系o-xyz的坐标转换矩阵r2的解；

i.通过r1和r2可以根据下面的公式求出标准三轴磁传感器坐标系o1-x1y1z1到待测试的三轴磁传感器坐标系o2-x2y2z2的坐标转换矩阵r3；

r3＝r2^-1·r1

j.在背景地磁场下沿着任意轴向旋转无磁转台，同步采集标准三轴磁传感器的输出hstandard＝[hs^xhs^yhs^z]和待测试的三轴磁传感器的输出htest＝[ht^xht^yht^z]，其中hs^x、hs^y和hs^z分别代表标准三轴磁传感器的测量值在x1、y1和z1轴上的分量，ht^x、ht^y和ht^z分别代表待测试三轴传感器的测量值在x2、y2和z2轴上的分量，设待测试的三轴磁传感器的测量误差为herror＝[he^xhe^yhe^z]，其中he^x、he^y和he^z分别代表待测试的三轴传感器在x2、y2和z2三个轴向上的测量误差，根据下面公式计算待待测试的三轴磁传感器三个轴向的单轴测量误差，从而得到待测试传感器三个轴向的单轴测量精度性能参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。